JP2019068560A - 発電機付き車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車輪回りの構成部品の大きな変更を伴うことなくホイール内に収納可能で、かつ熱を効率的に放出することができて、コイルの焼損、磁石の熱減磁、ブレーキ性能の低下を防ぐことができ、出力を増加させることができるようにする。【解決手段】車輪用軸受２と、この車輪用軸受２の固定輪である外輪４に取付けられたステータ１８、および回転輪である内輪５のハブフランジ７に取付けられたモータロータ１９を有する発電機３とを備える。ブレーキロータ１２が、ハブフランジ７に重ねて取付けられる円板状部１２ａと、円筒状部１２ｂと、外周部１２ｃとでなる。ステータ１８およびモータロータ１９の一部または全部が、ブレーキロータ１２の円板状部１２ａと円筒状部１２ｂとで形成された空間に位置する。ブレーキロータ１２の円筒状部１ｂの全体に分散して複数の通気孔２３を有する。【選択図】図１

Description

この発明は、前輪駆動または後輪駆動などの車両において、主駆動源となる内燃機関、モータ、またはその組合わせとは別に設けられて、車両の燃料消費量の向上、あるいはさらに走行性能、制動性能等の車両性能を向上させる発電機付き車輪用軸受装置に関する。

車輪が取付けられる車輪用軸受を、懸架装置の足回りフレーム部品（ナックル部）の片側に突出して取付け、前記車輪用軸受の回転輪を回転させて走行駆動するモータを前記足回りフレーム部品の他の片側に突出して取付けた電気自動車が提案されている（例えば、特許文献１）。前記モータは、回生制動によって発電機としても利用される。

特許第４３４８９４１号公報

特許文献１に記載された構成では、車軸の軸方向にモータが突出しており、懸架装置の前記足回り構造を変更する必要がある。また、発電電力やモータトルクを向上させるために、モータ躯体の径方向寸法を大きくすると、モータ躯体が周辺の懸架装置と干渉するため、減速機を組み込むことが一般的である。

そこで、本件出願人は、モータをブレーキロータ内に組み込み、モータの径方向寸法を確保し、取り付け部を大きく改造することなく、かつ、減速機を用いないダイレクトドライブシステムを提案している（特願２０１６−１８４２９５）。前記モータは、回生制動時に発電機として用いられる。

しかし、モータを走行駆動や回生制動のために稼働させると鉄損や銅損により発熱し、制動時にはブレーキロータとブレーキパッドの摩擦熱により、発電機周囲にも発熱源が存在することになる。ブレーキロータ内部にモータを組み込んだ構成では、モータ表面が空気に触れる面積が少ないため放熱性が悪く、モータの温度上昇によりコイルなどの絶縁性能劣化が早まり焼損の原因となる。磁石の熱減磁による駆動性能や発電機性能の低下や、コイルの焼損や減磁を防ぐために電流を制限すると、駆動や発電の性能を十分に発揮できない。また、車軸軸受も長時間高温に曝されることにより、潤滑油の劣化や金属材料の強度低下などを招く。

より具体的に説明すると、上記のようにモータをブレーキロータ内に組み込む構成とした場合、モータを車輪内に効率的に組み込むことができる反面、ブレーキロータからの発熱とモータからの発熱に加えて、ハブ輪の回転による摩擦熱により、構成部分であるブレーキロータの内部に発熱源が集中する。そのため、ブレーキロータの内部で発生した熱は、ブレーキロータ自身の熱放射および、車体との接触部を通じた熱伝導しか外部への放熱経路がないため、高温となり得る。ブレーキが高温となると、ブレーキフルードへと熱が伝わり、フルード内で気泡が発生するベイパーロックやブレーキパッドの過熱によるフェード現象、過度なブレーキパッドの摩耗などが生じる恐れがある。また、動力補助用のモータが高温となった場合は、モータコイルの絶縁被膜の破壊や、磁石型モータの場合はモータの熱減磁が発生し、モータの性能を著しく低下させる。車輪用軸受においては、潤滑材の熱劣化や金属材料の強度低下が発生し、軸受寿命を低下させる。
なお、上記の例は、モータを発電機として用いる場合につき説明したが、発電専用に用いる場合も、発電に関して上記と同様の課題が生じる。

この発明は上記課題を解消するものであり、足回りの構成部品の大きな変更を伴うことなくホイール内に収納可能で、かつ熱を効率的に放出することができて、コイルの焼損、磁石の熱減磁、ブレーキ性能の低下を防ぐことができ、かつ出力を増加させることができる発電機付き車輪用軸受装置を提供することを目的とする。

この発明の発電機付き車輪用軸受装置は、固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、
前記固定輪に取付けられたステータ、および前記回転輪に取付けられたモータロータを有する発電機と、を備えた発電機付き車輪用軸受装置であって、
前記ブレーキロータが、前記ハブフランジに重ねて取付けられる円板状部と、この円板状部の外周から前記発電機の外周側へ延びる円筒状部と、この円筒状部の先端から径方向外方へ周側に延びブレーキキャリパが押しつけられる部分となる外周部とでなり、
前記ステータおよび前記モータロータの一部または全部が、前記ブレーキロータの前記円板状部と前記円筒状部とで形成された空間内に位置し、
前記ブレーキロータの前記円筒状部の全体に分散して複数の通気孔を有する。

この構成によると、発電機の全体が、ブレーキロータの円筒状部よりも小径であって、かつ車輪用軸受におけるハブフランジから足回りフレーム部品までの軸方向範囲に位置するため、従来の足回り構造に大幅な改造なしにホイール内に収納可能である。
ブレーキロータは、円筒状部の全体に分散して複数の通気孔を有するため、ブレーキロータ内径側に位置する発電機が外部の空気と触れる面積を増やすことで、発電機から発生する熱を外部に効率良く放出することができる。このように熱の放出が効率良く行えるため、コイルの焼損、磁石の熱減磁、ブレーキ性能の低下を防ぐことができ、かつ発電の出力を増加させることができる。さらに、軸受内の潤滑油の劣化、軸受材料の強度低下を防ぐことができる。
また、空冷としたため、冷却用の配管の取り回しが必要なく、これによっても従来の足回り構造に大幅な改造なしに、この発電機付き車輪用軸受装置を適用できる。

この発明において、前記発電機は、給電されることによって前記車両の前記車輪を回転駆動する走行補助用のモータであってもよい。
このように発電機を走行補助用のモータで構成するとで、回生制動により発電を、また給電により回転駆動して走行補助を行うことができる。
このようにモータで構成される場合、放熱で温度低下が図れることから、給電電流を大きくでき、駆動力の低下を防ぐことができる。

この発明において、前記複数の通気孔が、前記ブレーキロータの前記円筒状部の全体に規則的に整列して配置されていることが好ましい。
通気孔が規則的に整列して設けられていると、より一層効率良く放熱させることができ、また局部的に強度低下することが防止される。

このように通気孔を整列配置する場合に、前記複数の通気孔が、前記ブレーキロータの前記円筒状部における軸方向の複数箇所で円周方向に並ぶ配列を成し、軸方向に隣合う前記配列の前記各通気孔は、互いに円周方向の位置がずれているようにしてもよい。
ブレーキロータは、ブレーキキャリパで挟んで制動させるときに、前記円筒状部にねじり応力が発生する。この場合に、円筒状部の軸方向の複数箇所で円周方向に並ぶ通気孔が互いに周方向の同じ位置であると、通気孔間の長さが短いことから、ブレーキロータの軸方向断面の断面２次モーメントが低下し、ねじり剛性が不足して耐久性を満足できない懸念がある。
これに対して、軸方向に隣合う配列の各通気孔の位置が互いに円周方向にずれていると、ブレーキロータの軸方向断面の断面２次モーメントが大きくなり、ブレーキロータのねじり剛性が高くなる。そのため、ブレーキロータの耐久性が向上する。

前記通気孔の形状が、円形であることが好ましい。通気孔の形状は、円形の他に、多角形など、任意の形状とできるが、多角形であると、角部で応力集中が生じ、ブレーキロータの薄肉化等による軽量化を図った場合等に、強度が不足する恐れがある。これに対して円形であると、応力集中が生じ難く、耐久性に優れたものとなる。

この発明において、前記発電機が、ステータの外周にロータが位置するアウターロータ型であってもよい。
アウターロータ型であると、モーメント発生位置が外径側となるため、インナーロータ型に比べて発電の効率が優れる。アウターロータ型である場合、発電機のロータがブレーキロータの円筒状部に接触し、または近接するように構成できるが、その場合に、前記通気孔を設けることによる冷却の効果がより一層効果的に発揮される。

この発明の発電機付き車輪用軸受装置は、固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、前記固定輪に取付けられたステータ、および前記回転輪に取付けられたモータロータを有する発電機と、を備えた発電機付き車輪用軸受装置であって、前記ブレーキロータが、前記ハブフランジに重ねて取付けられる円板状部と、この円板状部の外周から前記発電機の外周側へ延びる円筒状部と、この円筒状部の先端から径方向外方へ延びブレーキキャリパが押しつけられる部分となる外周部とでなり、前記ステータおよび前記モータロータの一部または全部が、前記ブレーキロータの前記円板状部と前記円筒状部とで形成された空間内に位置し、前記ブレーキロータの前記円筒状部の全体に分散して複数の通気孔を有するため、車輪回りの構成部品の大きな変更を伴うことなくホイール内に収納可能で、かつ熱を効率的に放出することができて、コイルの焼損、磁石の熱減磁、ブレーキ性能の低下を防ぐことができ、かつ出力を増加させることができる。

この発明の第１の実施形態に係る発電機付き車輪用軸受装置の断面図である。 同発電機付き車輪用軸受装置のブレーキロータの一例を示す斜視図である。 同ブレーキロータの変形例を示す斜視図である。 同ブレーキロータの他の変形例を示す斜視図である。 同ブレーキロータのさらに他の変形例を示す斜視図である。 同ブレーキロータのさらに他の変形例を示す斜視図である。 同ブレーキロータの解析モデルの斜視図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ、通気孔無しとしたブレーキロータの外側および内側から見た解析結果を示す図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ、図２のブレーキロータの外側および内側から見た解析結果を示す図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ、図５のブレーキロータの外側および内側から見た解析結果を示す図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ、図３のブレーキロータの外側および内側から見た解析結果を示す図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ、図４のブレーキロータの外側および内側から見た解析結果を示す図である。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ、図６のブレーキロータの外側および内側から見た解析結果を示す図である。 （ａ）は通気孔形状別のブレーキロータの応力解析の結果を示す応力値比率のグラフ、（ｂ）は通気孔配置別のブレーキロータの応力解析の結果を示す応力値比率のグラフである。 第１の実施形態に係る発電機付き車輪用軸受装置を用いた車両用システムの概念構成を示すブロック図である。 同車両用システムを搭載した車両の一例となる電源系統図である。 同発電機付き車輪用軸受装置を用いた他の車両用システムの概念の説明図である。

この発明の第１の実施形態に係る発電機付き車輪用軸受装置を図１および図２と共に説明する。この発電機付き車輪用軸受装置１は、車輪用軸受２と、発電機３とを備える。

＜車輪用軸受２について＞
車輪用軸受２は、固定輪である外輪４と、複列の転動体６と、回転輪である内輪５とを有する。外輪４に複列の転動体６を介して内輪５が回転自在に支持されている。外輪４は軌道面を有する外輪本体４ａとその外周の外周部材４ｂとでなる。内輪５は、外輪４よりも軸方向のアウトボード側に突出した箇所にハブフランジ７を有する。外輪４は、ハブフランジ７とは反対側（インボード側）の端部である車体取り付け面４ａにおいて、ナックル等の足回りフレーム部品８に図示外のボルトで取付けられ、車体の重量を支持する。なおこの明細書において、発電機付き車輪用軸受装置１が車両に搭載された状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の車幅方向の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

ハブフランジ７のアウトボード側の側面には、車輪１０のリム１１とブレーキロータ１２とが軸方向に重なった状態で、ハブボルト１３により取り付けられている。リム１１の外周にタイヤ（図示せず）が取付けられている。

＜ブレーキ１７について＞
ブレーキ１７は、ディスク式のブレーキロータ１２と、ブレーキキャリパ２２とを備える摩擦ブレーキである。ブレーキロータ１２は、ハブフランジ７に重なる環状でかつ平板状の円板状部１２ａと、この円板状部１２ａの外周から発電機３の外周側へ延びる円筒状部１２ｂと、この円筒状部１２ｂの先端から径方向外方へ延びる外周部１２ｃとでなる。ブレーキロータ１２は、例えば鋼板のプレス加工品からなる。

前記ブレーキキャリパ２２は、ブレーキロータ１２の外周部１２ｃを挟み付ける一対の摩擦パッド２２ａを有する。前記ブレーキキャリパ２２は、足回りフレーム部品８に取付けられている。前記ブレーキキャリパ２２は、油圧式および機械式のいずれであってもよく、また電動モータ式であってもよい。

＜発電機３について＞
発電機３は、車輪１０の回転で発電を行いかつ給電されることによって車輪１０を回転駆動可能な走行補助用の電動のモータである。発電機３は、外輪４の外周面に取付けられたステータ１８と、内輪５のハブフランジ７に取付けられたモータロータ１９とを有する。図示の例の発電機３は、アウターロータ型のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet Motor ）同期モータ等の同期モータであってもよい。

その他、発電機３は、スイッチトリラクタンスモータ(Switched reluctance motor；略称：ＳＲモータ) 、インダクションモータ（Induction Motor ；略称：ＩＭ）等各種形式が採用できる。同期モータにおいては、ステータ１８の巻き線形式として分布巻、集中巻の各形式が採用できる。

ステータ１８は、コア１８ａと、このコア１８ａの各ティースに巻回されたコイル１８ｂとを有する。コイル１８ｂは配線２５に接続されている。モータロータ１９は、モータケースとなる回転ケース１９ａと、この回転ケース１９ａの内周に設けられる磁性体１９ｂと、この磁性体１９ｂに内蔵される図示外の永久磁石とを備え、回転ケース１９ａがハブフランジ７に取付けられている。ハブフランジ７の外周面に、例えば、嵌合、溶接、または接着等により、回転ケース１９ａのアウトボード側の内周面が固定されている。回転ケース１９ａの外周面は、ブレーキロータ１２の円筒状部１２ｂの内周面に接触し、または近接している。回転ケース１９ａのインボード側の一端には、モータシールド２１が取付けられている。モータシールド２１は、回転ケース１９ａのインボード側の一端を閉鎖し、足回りフレーム部品８側から発電機３の内部への異物の侵入を防止する。

発電機３は、その全体が、ブレーキロータ１２の外周部１２ｂよりも小径である。さらに発電機３におけるハブフランジ７への取付部を除く全体が、車輪用軸受２のインボード側の車体取り付け面４ａと、ハブフランジ７との間の軸方向範囲に位置する。すなわち、発電機３は、ブレーキロータ１２の外周部１２ｂと外輪４の外周との間の径方向範囲に収められ、軸方向範囲については、ブレーキロータ１２の外周部１２ｂにおける円筒部１２ｂａに、発電機３の一部（アウトボード側半部）が入っている。なお、発電機３の軸方向の範囲は、足回りフレーム部品８に接する位置まで延びていてもよい。

＜ブレーキロータ１２の通気孔２３＞
上記構成の発電機付き車輪用軸受装置において、図２に示すように、ブレーキロータ１２の円筒状部１２ｂの全体に分散して複数の通気孔２３が設けられている。同図の例では通気孔２３は円形であり、方眼状に規則的に整列して配置されている。すなわち、通気孔２３は、ブレーキロータ１２の円筒状部１２ｂの軸方向の複数箇所で円周方向に並ぶ配列Ｌを成し、軸方向に隣合う配列の前記各通気孔２３は、互いに円周方向の同じ位置とされている。

この構成の発電機付き車輪用軸受装置１によると、発電機３の全体が、ブレーキロータ１２の円筒状部１２ｂよりも小径であって、かつ車輪用軸受２におけるハブフランジから車体取付側端４ａまでの軸方向範囲に位置するため、従来の足回り構造に大幅な改造なしにホイール内に収納可能である。

ブレーキロータ１２は円筒状部１２ｂに複数の通気孔２３を有するため、ブレーキロータ１２の内径側に位置するモータ兼用の発電機３が外部の空気と触れる面積を増やすことで、駆動時や発電時に発電機３から発生する熱を外部に効率良く放出することができる。通気孔２３は、円筒状部１２ｂの全体に分散して設けられているため、前記放熱がより効率良く行える。通気孔２３は規則的に整列して配置されているため、ブレーキロータ１２の通気孔２３の形成による局部的な強度低下が防止される。
このように熱の放出が効率良く行えるため、コイル１８ｂの焼損、永久磁石の熱減磁、ブレーキ性能の低下を防ぐことができ、かつモータ駆動の出力や発電の出力を増加させることができる。さらに、車輪用軸受２内の潤滑油の劣化、軸受材料の強度低下を防ぐことができる。
また、空冷としたため、冷却用の配管の取り回しが必要なく、これによっても従来の足回り構造に大幅な改造無しに、この発電機付き車輪用軸受装置１を車両に適用できる。

前記通気孔２３は、図２の例では円形孔としたが、任意の形状が採用できる。また、通気孔２３の配置についても種々の配置が採用できる。
図３〜図６は、それぞれ上記実施形態の発電機付き車輪用軸受装置１におけるブレーキロータ１２につき、通気孔２３の形状または配置、またはその両方を変更した例を示す。

図３の例は、通気孔２３の形状を矩形とし、配置孔２３の配列を図２の例と同様に方眼状としている。
図４の例は、通気孔２３の形状を菱形とし、配置孔２３の配列を図２の例と同様に方眼状としている。
図５の例は、通気孔２３の形状を円形とし、配置は千鳥配置としている。すなわち、この例では、配置につき、通気孔２３が、ブレーキロータ１２の円筒状部１２ｂの軸方向の複数箇所で円周方向に並ぶ配列Ｌ（図示の例では５列）を成し、軸方向に隣合う配列Ｌの各通気孔３は、互いに円周方向の位置がずれている。同図の例では、隣合う配列Ｌの通気孔３は、円周方向の配列ピッチの１／２ずつ互いにずれている。
図６の例は、通気孔２３の形状を図３の例と同じく矩形とし、配列を図５の例と同様に千鳥配置としている。

通気孔２３の配置は、次の理由からは、千鳥配置が好ましい。ブレーキロータ１２は、ブレーキキャリパ２２で挟んで制動させるときに、円筒状部１２ｂにねじり応力が発生する。この場合に、図２〜図４の各例のように、円筒状部１２ｂの各円周方向の列Ｌの通気孔が互いに周方向の同じ位置であると、通気孔２３間の長さＷが短いことから、ブレーキロータ１２における通気孔２３が軸方向に並ぶ箇所Ａの軸方向断面の断面２次モーメントが低下し、ねじり剛性が不足して耐久性が低下する懸念がある。
これに対して、図５や図６の例のように軸方向に隣合う配列Ｌの各通気孔２３の位置が互いに円周方向にずれていると、ブレーキロータ１２の通気孔２３が存在する軸方向箇所Ａ，Ａ′における軸方向断面の断面２次モーメントが大きくなり、ブレーキロータ１２のねじり剛性が高くなる。そのため、ブレーキロータの耐久性が向上する。

通気孔２３の形状は、前記のように任意の形状でよいが、多角形であると、角部で応力集中が生じ、ブレーキロータ１２の薄肉化等による軽量化を図った場合等に、強度が不足する恐れがある。これに対して図２、図５の例のように円形であると、応力集中が生じ難く、耐久性に優れたものとなる。

図７〜図１４と共に、ブレーキロータ１２の解析結果を示す。図７は、ブレーキロータ１２の解析モデルである。解析は、ブレーキロータ１２のブレーキパッド当接面を完全拘束し、ハブボルト穴１３Ａを剛体仮想で締結し、ブレーキロータ１２の中心に回転モーメントを付与した状態として行った。

図８〜図１３の(a) （ｂ）は、それぞれ、回転モーメント負荷時にブレーキロータ１２に発生する応力状態を、ブレーキロータ１２の外側および内側から示した図である。応力状態はミーゼス応力で示した。濃くなるほど応力値が大きい。
図８は、ブレーキロータ１２を無通気孔とした例の解析結果である。
図９は、ブレーキロータ１２に円形の無通気孔２３（丸孔）を方眼状配置で設けた例（図２）の解析結果である。
図１０は、ブレーキロータ１２に円形の無通気孔２３（丸孔）を千鳥配置で設けた例（図５）の解析結果である。
図１１は、ブレーキロータ１２に矩形の通気孔２３を方眼状配置で設けた例（図３）の解析結果である。
図１２は、ブレーキロータ１２に菱形の無通気孔２３を方眼状配置で設けた例（図５）の解析結果である。
図１３は、ブレーキロータ１２に矩形の無通気孔２３を千鳥配置で設けた例（図６）との解析結果である。

上記各解析結果から分かるように、通気孔２３の形状や配置の違いにより通気孔２３の付近に発生する最大ミーゼス応力はそれぞれ異なる。

通気孔２３を設けていないブレーキロータ１２の円筒状部１２ｂに発生した最大ミーゼス応力を基準として、それぞれの通気孔２３の形状条件におけるこれら通気孔付近に発生する最大ミーゼス応力の比率を図１４に示す。
図１４より、円形孔形状千鳥状配置の場合、通気孔無と比べて、通気孔間に発生する最大ミーゼス応力は増加量を最小限に抑えられる。
よって、ねじり剛性をできるだけ損ねずに通気性能を持たせる通気孔の形状と配置は、円形孔でかつ千鳥状の配置となることが分かる。

＜車両用システムについて＞
図１５は、前記第１または他の各プレーキロータの変形例を用いた実施形態に係る発電機付き車輪用軸受装置１を備える車両用システムの概念構成を示すブロック図である。
この車両用システムにおいて、発電機付き車輪用軸受装置１は、主駆動源と機械的に非連結である従動輪１０Ｂを持つ車両において、従動輪１０Ｂに対して搭載される。発電機付き車輪用軸受装置１における車輪用軸受２（図１）は、従動輪１０Ｂを支持する軸受である。

主駆動源３５は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン等の内燃機関、または電動発電機（電動モータ）、または両者を組み合わせたハイブリッド型の駆動源である。前記「電動発電機」は、回転付与による発電が可能な電動モータを称す。図示の例では、車両３０は、前輪が駆動輪１０Ａ、後輪が従動輪１０Ｂとなる前輪駆動車であって、主駆動源３５が内燃機関３５ａと駆動輪側の電動発電機３５ｂとを有するハイブッリド車（以下、「ＨＥＶ」と称することがある）である。

具体的には、駆動輪側の電動発電機３５ｂが４８Ｖ等の中電圧で駆動されるマイルドハイブリッド形式である。ハイブリッドはストロングハイブリッドとマイルドハイブリッドとに大別されるが、マイルドハイブリッドは、主要駆動源が内燃機関であって、発進時や加速時等にモータで走行の補助を主に行う形式を言い、ＥＶ（電気自動車）モードでは通常の走行を暫くは行えても長時間行うことができないことでストロングハイブリッドと区別される。同図の例の内燃機関３５ａは、クラッチ３６および減速機３７を介して駆動輪１０Ａのドライブシャフトに接続され、減速機３７に駆動輪側の電動発電機３５ｂが接続されている。

この車両用システムは、従動輪１０Ｂの回転駆動を行う走行補助用の電動発電機である発電機３と、この発電機３の制御を行う個別制御手段３９と、上位ＥＣＵ４０に設けられて前記個別制御手段３９に駆動および回生の制御を行わせる指令を出力する個別電動発電機指令手段４５とを備える。発電機３は、蓄電手段に接続されている。この蓄電手段は、バッテリー（蓄電池）またはキャパシタ、コンデンサ等を用いることができ、その形式や車両３０への搭載位置は問わないが、この実施形態では、車両３０に搭載された低電圧バッテリー５０および中電圧バッテリー４９のうちの、中電圧バッテリー４９とされている。

従動輪用の発電機３は、変速機を用いないダイレクトドライブモータである。発電機３は、電力を供給することで電動機として作用し、また車両３０の運動エネルギーを電力に変換する発電機としても作用する。
発電機３は、ハブ輪である内輪５（図１）にモータロータ１９（図１）が取付けられているため、発電機３に電流を印加すると内輪５（図１）が回転駆動され、逆に電力回生時には誘起電圧を負荷することで回生電力が得られる。

＜車両３０の制御系について＞
上位ＥＣＵ４０は、車両３０の統合制御を行う手段であり、トルク指令生成手段４３を備える。このトルク指令生成手段４３は、アクセルペダル等のアクセル操作手段５６およびブレーキペダル等のブレーキ操作手段５７からそれぞれ入力される操作量の信号に従ってトルク指令を生成する。この車両３０は、主駆動源３５として内燃機関３５ａおよび駆動輪側の電動発電機３５ｂを備え、また二つの従動輪１０Ｂ，１０Ｂをそれぞれ駆動する二つの発電機３，３を備えるため、前記トルク指令を各駆動源３５ａ，３５ｂ，３，３に定められた規則によって分配するトルク指令分配手段４４が上位ＥＣＵ４０に設けられている。

内燃機関３５ａに対するトルク指令は内燃機関制御手段４７に伝達され、内燃機関制御手段４７によるバルブ開度制御等に用いられる。駆動輪側の発電電動機３５ｂに対するトルク指令は、駆動輪側電動発電機制御手段４８に伝達されて実行される。従動輪側の発電機３，３に対するトルク指令は、個別制御手段３９，３９に伝達される。前記トルク指令分配手段４４のうち、個別制御手段３９，３９へ出力する部分を個別電動発電機指令手段４５と称している。この個別電動発電機指令手段４５は、ブレーキ操作手段５７の操作量の信号に対して、発電機３が回生制動により制動を分担する制動力の指令となるトルク指令を個別制御手段３９へ与える機能も備える。

個別制御手段３９はインバータ装置であり、中電圧バッテリー４９の直流電力を三相の交流電圧に変換するインバータ４１と、前記トルク指令等によりインバータ４１の出力をＰＷＭ制御等で制御する制御部４２とを有する。インバータ４１は、半導体スイッチング素子等によるブリッジ回路（図示せず）と、発電機３の回生電力を中電圧バッテリー４９に充電する充電回路（図示せず）とを備える。なお個別制御手段３９は、二つの発電機３，３に対して個別に設けられるが、一つの筐体内に収められ、制御部４２を両個別制御手段３９，３９で共有する構成であってもよい。

図１６は、図１５に示した車両用システムを搭載した車両の一例となる電源系統図である。同図の例では、バッテリーとして低電圧バッテリー５０と中電力バッテリー４９とが設けられ、低電圧バッテリー５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を介して接続されている。発電機３は二つあるが、代表して一つで図示している。図１５の駆動輪側の電動発電機３５ｂは、図１６では図示を省略しているが、従動輪側の発電機３と並列に中電力系統に接続されている。低電圧系統には低電圧負荷５２が接続され、中電圧系統には中電圧負荷５３が接続される。低電圧負荷５２および中電圧負荷５３は、それぞれ複数あるが、代表して一つで示している。

低電圧バッテリー５０は、制御系等の電源として各種の自動車一般に用いられているバッテリーであり、例えば１２Ｖまたは２４Ｖとされる。低電圧負荷５２としては、内燃機関３５ａのスタータモータ、灯火類、上位ＥＣＵ４０およびその他のＥＣＵ（図示せず）等の基幹部品がある。低電圧バッテリー５０は電装補機類用補助バッテリーと称し、中電圧バッテリー４９は電動システム用補助バッテリー等と称してもよい。

中電圧バッテリー４９は、低電圧バッテリー５０よりも電圧が高く、かつストロングハイブリッド車等に用いられる高圧バッテリー（１００Ｖ以上、例えば２００〜４００Ｖ程度）よりも低く、かつ作業時に感電による人体への影響が問題とならない程度の電圧であり、近年マイルドハイブリッドに用いられている４８Ｖバッテリーが好ましい。４８Ｖバッテリー等の中電圧バッテリー４９は、従来の内燃機関を搭載した車両に比較的容易に搭載することができ、マイルドハイブリッドとして電力による動力アシストや回生により、燃費低減することができる。

前記４８Ｖ系統の中電圧負荷５３は前記アクセサリー部品であり、前記駆動輪側の発電機３である動力アシストモータ、電動ポンプ、電動パワーステアリング、スーパーチャージャ、およびエアーコンフレッサなどである。アクセサリーによる負荷を４８Ｖ系統で構成することで、高電圧（１００Ｖ以上のストロングハイブリッド車など）よりも動力アシストの出力が低くなるものの、乗員やメンテナンス作業者への感電の危険性を低くすることができる。電線の絶縁被膜を薄くすることができるので、電線の重量や体積を減らすことができる。また、１２Ｖよりも小さな電流量で大きな電力量を入出力することができるため、電動機または発電機の体積を小さくすることができる。これらのことから、車両の燃費低減効果に寄与する。

この車両用システムは、こうしたマイルドハイブリッド車のアクセサリー部品に好適であり、動力アシストおよび電力回生部品として適用される。なお、従来よりマイルドハイブリッド車において、ＣＭＧ、ＧＭＧ、ベルト駆動式スタータモータ（いずれも図示せず）などが採用されることがあるが、これらはいずれも、内燃機関または動力装置に対して動力アシストまたは回生するため、伝達装置および減速機などの効率の影響を受ける。

これに対してこの例の車両用システムは従動輪１０Ｂに対して搭載されるため、内燃機関３５ａおよび電動モータ（図示せず）等の主駆動源とは切り離されており、電力回生の際には車体１の運動エネルギーを直接利用することができる。また、ＣＭＧ、ＧＭＧ、ベルト駆動式スタータモータなどを搭載する際には、車両３０の設計段階から考慮して組み込む必要があり、後付けすることが難しいが、従動輪１０Ｂ内に収まるこの車両用システムの発電機３は、完成車であっても部品交換と同等の工数で取り付けることができ、内燃機関３５ａのみの完成車に対しても４８Ｖのシステムを構成することができる。この実施形態の車両用システムを搭載した車両に、図１５の例のように別の補助駆動用の電動発電機３５ｂが搭載されていても構わない。その際は車両３０に対する動力アシスト量や回生電力量を増加させることができ、さらに燃費低減に寄与する。

図１７は、いずれかの実施形態に係る発電機付き車輪用軸受装置１を、前輪である駆動輪１０Ａおよび後輪である従動輪１０Ｂにそれぞれ適用した例を示す。駆動輪１０Ａは内燃機関からなる主駆動源３５により、クラッチ３６および減速機７を介して駆動される。この前輪駆動車において、各駆動輪１０Ａおよび従動輪１０Ｂの支持および補助駆動に、発電機付き車輪用軸受装置１が設置されている。このように発電機付き車輪用軸受装置１を、従動輪１０Ｂだけでなく、駆動輪１０Ａにも適用し得る。

図１５に示す車両用システムは、発電を行う機能を有するが、給電による回転駆動をし
ないシステムとしてもよい。この場合、発電機３が発電した回生電力を中電圧バッテリー４９に蓄えることにより、制動力を発生させることができる。機械式のブレーキ操作手段５７と併用や使い分けで、制動性能も向上させることができる。このように発電を行う機能に限定した場合、個別制御手段３９はインバータ装置ではなく、AC/DC コンバータ装置（図示せず）として構成することができる。前記AC/DC コンバータ装置は、３相交流電圧を直流電圧に変換することで、発電機３の回生電力を中電圧バッテリー４９に充電する機能を備え、インバータと比較すると制御方法が容易であり、小型化が可能となる。

なお、前記実施形態では、発電機３は、その全体が、ブレーキロータ１２の外周部１２ｂよりも小径であり、さらに発電機３におけるハブフランジ７への取付部を除く全体が、車輪用軸受２のインボード側の車体取り付け面４ａと、ハブフランジ７との間の軸方向範囲に位置するように構成したが、前記ステータ１２および前記モータロータ１９の一部または全部が、前記ブレーキロータ１２の前記円板状部１２ａと円筒状部１２ｂとで形成された空間内に位置していればよい。ブレーキロータ１２の円板状部１２ａと円筒状部１２ｂとで形成された空間とは、外径がブレーキロータ１２の円筒状部１２ｂよりも小径でああって、軸方向範囲が円筒状部１２ｂの存在する範囲であり、内径が円板状部１２ａの最小径以上となる円筒状の空間である。この空間にステータ１２およびモータロータ１９の一部のみが位置する場合、ステータ１２およびモータロータ１９の残り部分は、例えば、前記足回りフレーム部品８の車輪用軸受取り付け面よりもハブフランジ７側の軸方向範囲に配置される。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…発電機付き車輪用軸受装置
２…車輪用軸受
３…発電機
４…外輪（固定輪）
４ａ…車体取り付け面
５…内輪（回転輪）
６…転動体
７…ハブフランジ
１２…ブレーキロータ
１２ｂ…円筒状部
１８…ステータ
１９…モータロータ
２３…通気孔

Claims (6)

1. 固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、
   前記固定輪に取付けられたステータ、および前記回転輪に取付けられたモータロータを有する発電機と、を備えた発電機付き車輪用軸受装置であって、
   前記ブレーキロータが、前記ハブフランジに重ねて取付けられる円板状部と、この円板状部の外周から前記発電機の外周側へ延びる円筒状部と、この円筒状部の先端から径方向外方へ延びブレーキキャリパが押しつけられる部分となる外周部とでなり、
   前記ステータおよび前記モータロータの一部または全部が、前記ブレーキロータの前記円板状部と円筒状部とで形成された空間内にに位置し、
   前記ブレーキロータの前記円筒状部の全体に分散して複数の通気孔を有する、
   発電機付き車輪用軸受装置。
2. 請求項１に記載の発電機付き車輪用軸受装置において、前記発電機は、給電されることによって前記車両の前記車輪を回転駆動する走行補助用のモータである発電機付き車輪用軸受装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の発電機付き車輪用軸受装置において、前記複数の通気孔が、前記ブレーキロータの前記円筒状部の全体に規則的に整列して配置されている発電機付き車輪用軸受装置。
4. 請求項３に記載の発電機付き車輪用軸受装置において、前記複数の通気孔が、前記ブレーキロータの前記円筒状部における軸方向の複数箇所で円周方向に並ぶ配列を成し、軸方向に隣合う前記配列の前記各通気孔は、互いに円周方向の位置がずれている発電機付き車輪用軸受装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発電機付き車輪用軸受装置において、前記各通気孔が円形である発電機付き車輪用軸受装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発電機付き車輪用軸受装置において、 前記発電機が、ステータの外周にロータが位置するアウターロータ型である発電機付き車輪用軸受装置。

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